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Uomini e topi: proprietà elettriche uniche dei neuroni umani fanno la differenza
Le avanzate capacità cognitive del cervello umano sono spesso attribuite alla nostra neocorteccia che si è evoluta relativamente di recente.
Il confronto tra il cervello umano e quello dei roditori mostra che la corteccia umana è più spessa, contiene più materia bianca, ha neuroni più grandi, e le sue abbondanti cellule piramidali (in precedenza chiamate neuroni "psichici") hanno più connessioni sinaptiche per cellula rispetto ai roditori.
Tuttavia, gli scienziati dovevano ancora capire se ci sono differenze importanti a livello biofisico negli elementi di base della neocorteccia umana, i neuroni piramidali. Queste cellule possiedono proprietà biofisiche uniche che potrebbero avere un impatto sull'elaborazione corticale?
Per rispondere a questa domanda, un team teorico diretto dal Prof. Idan Segev della Hebrew University di Gerusalemme, lavorando con colleghi sperimentali della Vrije Universiteit di Amsterdam e dell'Istituto Cajal di Madrid, ha costruito modelli 3D dettagliati delle cellule piramidali della neocorteccia temporale umana. Questi modelli dettagliati di neuroni umani, i primi in assoluto, erano basati su dati fisiologici e anatomici intracellulari in vitro di cellule umane.
Per raccogliere questi dati, è stato usato tessuto corticale fresco ottenuto da operazioni al cervello in un reparto neurochirurgico di Amsterdam, e dati aggiuntivi sono stati ottenuti da studi con microscopio ottico in cellule piramidali da studi post mortem all'Istituto Cajal di Madrid.
Può essere rilevante perché:
La maggior parte delle ricerche sull'Alzheimer iniziano con test sui topi e, in base al principio che molti dei loro geni sono comuni con gli umani, si ipotizza che gli stessi risultati saranno osservati sulle persone.
Però non risulta che a tutt'oggi nessuna delle sostanze o farmaci che hanno avuto successo sui topi si siano rivelati validi anche per gli esseri umani.
Le differenze nel funzionamento dei neuroni evidenziate da questa ricerca potrebbero aiutare a illuminare almeno in parte questi insuccessi e la scarsa utilità di impegnare risorse e energie per studi sui topi, con la speranza (rivelatasi finora vana) che i risultati positivi siano poi replicati sulle persone.
Lo studio teorico ha previsto che i neuroni piramidali dello strato 2/3 della corteccia temporale umana dovrebbero avere una capacitanza specifica di membrana che è la metà del valore "universale" accettato di solito per le membrane biologiche (~ 0,5 mF/cm2 vs. ~1 uF cm2).
Dal momento che la capacitanza della membrana influenza la velocità della cellula a rispondere agli input sinaptici, questa scoperta ha importanti implicazioni per la trasmissione dei segnali all'interno delle cellule e tra di loro. La previsione teorica sulla capacitanza specifica della membrana è stata poi convalidata sperimentalmente con misure dirette di capacitanza di membrana su neuroni piramidali umani.
"Questa è la prima prova diretta delle proprietà elettriche uniche dei neuroni umani", ha detto il ricercatore Guy Eyal, dottorando di ricerca del Dipartimento di Neurobiologia della Hebrew University. "La nostra scoperta dimostra che la bassa capacitanza della membrana migliora notevolmente l'efficacia di elaborazione del segnale e la velocità di comunicazione all'interno e tra i neuroni corticali nella neocorteccia umana, rispetto ai roditori".
"I risultati di questo lavoro implicano che i neuroni corticali umani sono microchip elettrici efficienti, che compensano il cervello più grande e le grandi cellule degli esseri umani, ed elaborano le informazioni sensoriali in modo più efficace", ha detto il Prof. Idan Segev del Dipartimento di Neurobiologia e del Center for Brain Sciences dell'Università ebraica. "Infatti, lo studio dimostra che già a livello dei singoli blocchi costruttivi del sistema nervoso (le cellule nervose), gli esseri umani sono diversi dai roditori. E' necessaria più ricerca in questa direzione sui primati non umani".
I ricercatori suggeriscono che le proprietà biofisiche distintive della membrana dei neuroni piramidali umani sono il risultato della pressione evolutiva per compensare l'aumento delle dimensioni e le distanze nel cervello umano.
Fonte: The Hebrew University of Jerusalem via AlphaGalileo (> English text) - Traduzione di Franco Pellizzari.
Riferimenti: Guy Eyal, Matthijs B Verhoog, Guilherme Testa-Silva, Yair Deitcher, Johannes C Lodder, Ruth Benavides-Piccione, Juan Morales, Javier DeFelipe, Christiaan PJ de Kock, Huibert D Mansvelder, Idan Segev. Unique membrane properties and enhanced signal processing in human neocortical neurons. eLife, 2016; 5 DOI: 10.7554/eLife.16553
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